1Espace, temps, référentiel
Définition. En mécanique classique, l’espace est euclidien et de dimension trois, et le temps est absolu : deux observateurs quelconques mesurent la même durée entre deux événements et la même distance entre deux points au même instant. Le temps est repéré par une date , réel croissant, mesurée par une horloge.
Définition. Un référentiel est la donnée d’un solide de référence (auquel on associe un repère d’espace) et d’une horloge. Décrire un mouvement sans préciser le référentiel n’a aucun sens : le mouvement est relatif.
Notation. On fixe dans une origine et une base orthonormée directe : c’est le repère . La position de est donnée par le vecteur position . Un voyageur assis dans un train est immobile dans le référentiel du wagon, en mouvement rectiligne uniforme dans le référentiel terrestre, et décrit une courbe compliquée dans le référentiel héliocentrique : aucune de ces descriptions n’est « la vraie ».
Remarque — limites du modèle classique. Le caractère absolu de l’espace et du temps est une approximation, prise en défaut dès que n’est plus très petite devant : les horloges des satellites GPS dérivent de par jour (soit d’erreur de position) sans corrections relativistes, et les muons atmosphériques, de durée de vie propre , devraient s’arrêter après alors qu’on les détecte au sol. À l’échelle atomique, c’est la notion même de trajectoire qui perd son sens (mécanique quantique).
2Paramétrage, trajectoire, degrés de liberté
Définition. La trajectoire de dans est l’ensemble des positions occupées au cours du temps. Les équations horaires donnent les coordonnées en fonction de ; l’équation de la trajectoire s’obtient en éliminant entre elles. Le nombre de degrés de liberté est le nombre de paramètres indépendants repérant : dans l’espace, sur une surface, sur une courbe.
Méthode — choisir ses coordonnées. Regarder les symétries : rectiligne ou parabolique cartésiennes ; circulaire, en spirale ou autour d’un centre cylindriques ; sur une sphère sphériques. Un bon choix réduit le nombre de coordonnées variables, souvent à une seule.
3Vitesse et accélération
Définition. Le vecteur vitesse et le vecteur accélération de dans sont les dérivées
L’indice rappelle que la dérivation se fait à vecteurs de base de fixes ; on l’omet quand aucune ambiguïté n’est possible. Unités : et .
Propriété — la vitesse est tangente. En notant le déplacement élémentaire entre et , lui est colinéaire, donc toujours tangent à la trajectoire, dans le sens du mouvement ; , lui, n’a aucune raison d’être tangent. Enfin et ne dépendent pas de l’origine (deux origines fixes diffèrent d’un vecteur constant), mais bien du référentiel.
4Coordonnées cartésiennes
Propriété. La base est fixe dans : dériver revient à dériver les composantes.
5Coordonnées cylindriques
Définition. Soit le projeté orthogonal de sur le plan . On pose , distance de à l’axe , l’angle orienté et la cote. On construit la base locale , orthonormée directe, avec
Cette base dépend de la position du point : elle tourne avec lui. Quand on parle de coordonnées polaires .
Figure 1 — Coordonnées cylindriques et base locale.
Figure 2 — Coordonnées sphériques et base locale.
Théorème — dérivées des vecteurs de base. La base locale ne dépend du temps que par , donc
Idée : dériver par rapport à ( fixes) et reconnaître ; de même pour . Géométriquement : dériver un vecteur unitaire tournant, c’est le faire tourner d’un quart de tour direct et le multiplier par .
Théorème — expressions exigibles. Avec :
Idée : dériver en traitant , et comme fonctions du temps, puis recommencer sur .
Dans , les termes (accélération centripète) et (terme de Coriolis) viennent de la rotation de la base, non de la dérivation des composantes : écrire est l’erreur la plus fréquente du chapitre.
6Coordonnées sphériques
Définition. ; est la colatitude, angle entre et ; est la longitude, angle du projeté dans . La base locale est orthonormée directe, chaque vecteur pointant vers les valeurs croissantes de la coordonnée correspondante ( vers le « sud », vers l’« est »).
Théorème — déplacement élémentaire. En faisant varier une seule coordonnée à la fois, on lit géométriquement sur la figure 2 :
Le facteur est le rayon du parallèle sur lequel se déplace lorsque seul varie : c’est la distance de à l’axe .
En coordonnées sphériques, les expressions des composantes de la vitesse et de l’accélération ne sont pas exigibles : le programme demande d’« établir les expressions des composantes des vecteurs position, déplacement élémentaire, vitesse et accélération dans les seuls cas des coordonnées cartésiennes et cylindriques ». En sphériques, on sait construire le trièdre local et écrire — rien de plus. Tout énoncé utilisant en sphériques est hors sujet en MPSI.
7Repère de Frenet et courbure (trajectoire plane)
Définition. On oriente la trajectoire et on note l’abscisse curviligne, telle que pour un mouvement dans le sens positif. La base de Frenet en est : unitaire tangent orienté dans le sens du mouvement, unitaire normal dirigé vers le centre de courbure (vers l’intérieur de la concavité).
Définition. Le cercle osculateur en est le cercle tangent à la trajectoire qui épouse le mieux la courbe au voisinage de ; son rayon est le rayon de courbure et son centre est . Une droite correspond à , un cercle de rayon à partout.
Théorème — décomposition de Frenet. Pour un mouvement plan de vitesse avec :
Idée : dériver ; le premier terme vient de la variation de la norme, le second de la rotation de , dont la dérivée vaut . Comme toujours, l’accélération pointe du côté concave ; et le signe de , celui de , dit si le mouvement est accéléré (), uniforme () ou retardé ().
Figure 3 — Base de Frenet sur une trajectoire plane : est tangente, est tournée vers la concavité.
Méthode — déterminer un rayon de courbure. Calculer et dans un système commode, puis , et , d’où ; on peut aussi projeter directement sur .
8Mouvements types
Propriété — mouvement rectiligne. La trajectoire est portée par une droite fixe, d’où une seule coordonnée . Il est uniforme si est constante (, ), uniformément accéléré si est constant :
la dernière relation, obtenue en éliminant , évitant bien des calculs.
Théorème — mouvement à vecteur accélération constant. Si est constant, une double intégration vectorielle donne et . Le mouvement est plan (plan passant par et dirigé par et ) et la trajectoire est une parabole d’axe parallèle à — sauf si et sont colinéaires, le mouvement étant alors rectiligne.
Méthode — équation de la trajectoire. Avec et depuis l’origine, on tire de la première équation horaire et on le reporte dans la seconde : .
Théorème — mouvement circulaire. Le point décrit un cercle de centre et de rayon : , , et il ne reste qu’un degré de liberté, . On note la vitesse angulaire (). Alors
Si , et : on retrouve , et .
Propriété — circulaire uniforme. Si est constante, est constante, la période vaut , et est purement centripète, de norme constante . Un mouvement circulaire uniforme n’a pas une accélération nulle : seule la norme de la vitesse est constante, pas sa direction.
Figure 4 — Circulaire uniforme : est centripète.
Figure 5 — Circulaire accéléré () : est en avance sur .
9Capacité expérimentale : exploiter un enregistrement vidéo
Méthode — pointage vidéo. Un logiciel fournit une suite de positions aux dates , étant l’inverse de la fréquence d’acquisition. On estime la vitesse par une différence centrée, bien plus précise qu’une différence à droite : et . La vitesse n’est donc pas calculable aux points extrêmes. Le vecteur vitesse tracé en doit apparaître tangent à la trajectoire : c’est le premier contrôle de cohérence.
t, x, y = np.loadtxt("pointage.csv", delimiter=",", unpack=True) ; dt = t[1] - t[0]
vx, vy = (x[2:] - x[:-2]) / (2*dt), (y[2:] - y[:-2]) / (2*dt) # k = 1 ... N-2
ax, ay = (vx[2:] - vx[:-2]) / (2*dt), (vy[2:] - vy[:-2]) / (2*dt)
print(np.hypot(vx, vy), np.mean(ay)) # ~ -9.8 m/s^2 en chute libre
10Démonstrations exigibles et savoir-faire
- Démonstrations à savoir refaire : et , puis et en cylindriques ; en sphériques ; décomposition de Frenet ; mouvement à accélération constante ; pour le circulaire uniforme.
- Choisir référentiel, repère et système de coordonnées adaptés ; compter les degrés de liberté.
- Établir , et en cartésiennes et en cylindriques ; construire le trièdre local en sphériques.
- Passer des équations horaires à l’équation de la trajectoire par élimination de ; traiter un mouvement à accélération constante (portée, flèche, durée de vol).
- Traiter un mouvement circulaire uniforme ou non : , , .
- Situer qualitativement et sur une trajectoire ; conclure sur le signe de ; calculer . Exploiter un pointage vidéo par différences centrées.
- Cartésiennes : ; .
- Cylindriques : ; .
- Sphériques (seulement) : ; .
- Frenet : ; ; . Circulaire : ; ; ; uniforme : .
- Accélération constante : ; rectiligne : .
- Ordres de grandeur : marcheur , voiture , avion , satellite bas ; ; voiture ; centrifugeuse à .
- Dériver les composantes en oubliant que et tournent : .
- Écrire pour un mouvement circulaire : et . Confondre (dérivée de la norme) et : égales seulement en rectiligne.
- Croire qu’un mouvement circulaire uniforme a une accélération nulle, ou qu’accélération nulle entraîne vitesse nulle.
- Confondre () et () ; travailler en degrés là où la formule suppose des radians.
- Utiliser ou en sphériques (hors programme) ; oublier le de ou prendre pour une latitude.
- Oublier de préciser le référentiel, ou en changer en cours de calcul ; orienter « vers l’extérieur » alors qu’il pointe vers le centre de courbure ().